文/新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計院 鄭建斌
在我國,軟土主要分布在東南沿海、內(nèi)陸河湖及山間谷地等地區(qū),分布范圍廣泛。因此,在修建公路時,經(jīng)常會遇到軟土地基。由于軟土自身的特性,在軟土地區(qū)填筑路基時,會面臨一系列的工程問題,特別是當?shù)缆吠度脒\營后,路基的不均勻沉降會導致路基路面出現(xiàn)沉陷、開裂等病害,嚴重影響道路的使用壽命和行車舒適性。近年來,許多學者對軟土的物理力學性質(zhì)進行了研究,指出軟土的工程性質(zhì)與其微觀機構(gòu)有很大的聯(lián)系。為了較好地處治軟土地基,控制不均勻沉降,必須先掌握軟土地基上路基的不均勻變形特點,本文將采用數(shù)值模擬的方法對軟土地區(qū)路基的不均勻沉降規(guī)律進行探究。
本文運用Geostudio數(shù)值軟件中的Sigma/w模塊來模擬軟土地區(qū)公路路基的沉降狀況。為了便于計算,將路基模型簡化為二維模型,從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽儐栴}來研究。計算時所采用的本構(gòu)模型為“摩爾-庫倫模型”,邊界條件設置為限制模型左右邊界的水平位移,同時限制模型下邊界在水平方向、豎直方向上的位移。路基寬度為28m,邊坡坡度1:1.5,高度為5m;根據(jù)規(guī)范要求,地基計算寬度不得小于路基寬度的3倍,而地基的計算深度如公式一所示。本文取地基計算寬度為100m,地基計算深度為40m,滿足要求。此外,在路基和地基中間設置1m厚的砂土墊層。
式中:Zn為地基計算深度,b為路基寬度。
網(wǎng)格劃分時采用的是四邊形和三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為1m。路基的幾何圖和網(wǎng)格劃分圖分別如圖1和圖2所示,路基土和地基土的材料參數(shù)如表1所示。
將計算時間設為180天,路基沉降180天后路基模型網(wǎng)格變化如圖3所示,可得知,路基發(fā)生了明顯的沉降。以路基中心為原點,路基頂面沉降量沿著路基寬度的分布如圖4所示。
由圖4可知,路基頂面沉降值沿路基中心對稱分布,而且路基頂面沉降曲線呈拋物線狀:其中路基中心處沉降量最大,達到1.118m;左、右路肩處(±14m處)的沉降量最小,為1.065m;路基中心和路肩處的沉降差為0.053m。
圖1 路基幾何模型
圖2 路基網(wǎng)格劃分圖
表1 路基和地基材料參數(shù)
圖3 180天后路基模型網(wǎng)格變化圖
圖4 路基頂面沉降曲線圖
研究表明軟土地區(qū)路基沉降與地基的回彈模量息息相關,為了研究地基回彈模量對路基沉降的影響,分別選取五種不同的地基回彈模量參數(shù),如表2所示。將這些參數(shù)導入到圖1所示的路基模型中,得出的五種地基上路基頂面的沉降曲線如圖5所示。
由圖5可知,不同地基回彈模量下,路基頂面沉降值均在路基中心處最大,而在兩側(cè)路肩處最小。但是,當?shù)鼗貜椖A坎煌瑫r,路基頂面沉降值的大小有很大的差別:五種地基回彈模量下,路基頂面最大沉降值分別為1.118m、0.748m、0.563m、0.452m和0.377m;即當?shù)鼗貜椖A繛?0000kPa時,路基頂面最大沉降值為地基回彈模量30000kPa時的2.97倍。
表2 路基和地基材料參數(shù)
表3 路基和地基材料參數(shù)
圖5 不同地基回彈模量下路基頂面沉降曲線圖
圖6 不同路基填料重度下路基頂面沉降曲線圖
此外,由圖5可知,地基回彈模量越大,沉降曲線越平緩,也就是說,地基回彈模量不同,路基頂面差異沉降(即路基頂面最大沉降值和最小沉降值之差)也有很大的差別:當?shù)鼗貜椖A繛?0000kPa時,路基頂面差異沉降高達0.053m;隨著地基回彈模量的增大,路基頂面差異沉降逐漸減小,當?shù)鼗貜椖A繛?0000kPa時,路基頂面差異沉降僅為0.019m。
可見,地基回彈模量越大,路基頂面的沉降值和差異沉降值越小。因此,若軟土地基不進行加固處置,其地基回彈模量較小,會導致路基沉降量過大;對軟土地基進行加固處置,能提高軟土地基的回彈模量,從而顯著減小路基的不均勻沉降。
近年來輕質(zhì)路基填料受到廣大研究者的關注,為了研究路基填料的重度對軟土地區(qū)路基沉降的影響,采用圖1所示的路基模型,現(xiàn)分別選取四種路基填料重度進行計算,具體材料參數(shù)如表3所示。四種路基填料重度下,路基頂面的沉降曲線如圖6所示。
由圖6可知,路基填料的重度對路基頂面沉降有很大的影響:路基填料的重度越大,路基頂面沉降就越大。當路基填料的重度分別為5kN/m3、10kN/m3、15kN/m3及20kN/m3時,路基頂面最大沉降值分別為:0.959m、1.016m、1.072m及1.129m。其中,路基填料重度為20kN/m3時的路基頂面最大沉降為路基填料重度為5kN/m3時的1.18倍。
五種路基填料重度下,路基頂面沉降曲線的斜率差別較大,這表明路基頂面差異沉降也有很大的差別:當路基填料重度為5kN/m3時,路基頂面差異沉降較小,數(shù)值為0.014m;當路基填料重度為20kN/m3時,路基頂面差異沉降高達0.056m,是前者的4倍。可見,路基填料重度亦是影響軟土地區(qū)路基沉降的重要因素之一。在經(jīng)濟條件滿足的條件下,可以考慮采用輕質(zhì)路基填料來填筑路基,如EPS、泡沫混凝土等,以減少軟土地區(qū)路基沉降。
本文通過建立軟土地區(qū)路基的數(shù)值模型,計算了不同條件下路基的沉降值,并對路基沉降的影響因素進行了分析,得出了以下結(jié)論:
地基回彈模量對路基沉降有很大的影響:路基頂面沉降值和差異沉降值均隨著地基回彈模量的增大而減小。因此,在修筑公路之前,影對軟土地區(qū)的地基記性加固處治。
路基填料的重度是影響路基沉降的重要因素之一,路基填料越輕,則路基頂面沉值越?。淮送?,路基頂面差異沉降值也隨著路基填料重度的減小而減小。因此,用輕質(zhì)路基填料填筑路基是控制路基沉降的有效方法之一。